JP2012003198A - 顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光、ラマン散乱光等の観察光と励起光の波長の順序が変動しても同一の光学系を用いて複数の波長の光を観察することができる。
【解決手段】異なる照明光を射出する複数の光源部４，５と、該光源部４，５から射出された複数の照明光を標本Ａに集光する対物光学系６，７と、光源部４，５からの複数の照明光を標本Ａ上の異なる位置に集光させるように対物光学系６，７に導光する照明光学系８，９，１０と、照明光を照射することにより標本Ａにおいて発生した複数の観察光を異なる位置に結像させる結像光学系１１と、該結像光学系１１による異なる結像位置において複数の観察光を検出する光検出部１２とを備える顕微鏡１を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、顕微鏡に関するものである。

従来、複数の光源から発せられた異なる波長の励起光により、標本において発生した異なる波長の蛍光を波長によって分離して複数の蛍光画像を取得する蛍光顕微鏡が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この顕微鏡は、２つの励起光と２つの蛍光とを３つのダイクロイックミラーの組み合わせによって波長の順序に従って分離する方式のものである。

特開平７−３３３５１６号公報

しかしながら、励起光の波長が同一であっても発生する蛍光の波長は、標本の状態や標本に導入する蛍光薬剤の種類によって変化する。このため、標本の状態や標本に導入する蛍光薬剤の種類によっては、励起光と蛍光の波長の順序が入れ替わることがある。そのような場合には、同一のダイクロイックミラーの組み合わせによっては蛍光を励起光と分離して検出することができないため、同一の光学系を用いて観察することができないという不都合がある。このような問題は、ラマン散乱光においても同様に生じる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、蛍光、ラマン散乱光等の観察光と励起光の波長の順序が変動しても同一の光学系を用いて複数の波長の光を観察することができる顕微鏡を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、異なる照明光を射出する複数の光源部と、該光源部から射出された複数の照明光を標本に集光する対物光学系と、前記光源部からの複数の照明光を前記標本上の異なる位置に集光させるように前記対物光学系に導光する照明光学系と、前記照明光を照射することにより前記標本において発生した複数の観察光を異なる位置に結像させる結像光学系と、該結像光学系による異なる結像位置において前記複数の観察光を検出する光検出部とを備える顕微鏡を提供する。

本発明によれば、複数の光源部から発せられた異なる照明光は、照明光学系により導光されて対物レンズにより標本上の異なる位置に集光させられ、各集光位置において観察光が発生される。標本上の異なる位置において発生した複数の観察光は、結像光学系によって異なる位置に結像させられ、その結像位置に配置されている光検出部によって検出される。すなわち、観察光を波長により分離するのではなく、空間的に分離することにより、照明光と観察光との波長順序が変動しても同一の光学系を用いて、複数の観察光を観察することができる。

上記発明においては、前記光源部が、異なる照明光を発生する複数の光源と、該光源からの照明光をライン状に集光させる線状集光素子とを備えていてもよい。
このようにすることで、標本上にライン状の照明光を照射してライン状の観察像を検出することができる。

また、上記発明においては、前記光検出部が、単一の光検出器であり、前記結像光学系が、複数の観察光を前記光検出器の異なる位置に結像させてもよい。
このようにすることで、複数の観察光を検出する光検出器を共用することができ、装置の構成を簡易化することができる。

また、上記発明においては、前記光検出器により検出された複数の観察光の検出光量値と、前記観察光相互間の検出光量値の差分とに基づいて前記光源部から射出させる光量を制御する光源制御部とを備えていてもよい。
このようにすることで、複数の観察光の検出光量値に大きな差がある場合に、いずれかの観察光が検出されなかったり飽和してしまったりする不都合の発生を防止することができる。また、複数の観察光の検出光量値の差分を低減させることにより、単一の光検出器によっても複数の観察光を精度よく検出することができる。

また、上記発明においては、前記光検出部が、複数の画素を配列してなる光検出器を備え、前記線状集光素子が、前記光検出器の画素の配列方向に沿うライン状に前記照明光を集光させてもよい。
このようにすることで、画素毎に検出ムラが発生せず、観察光の分布を定量的に検出することができる。

また、上記発明においては、前記標本を搭載するステージと、該ステージを、標本上に集光されたライン状の照明光の長さ方向に交差する方向に移動させるステージ駆動手段とを備え、該ステージ駆動手段による前記ステージの移動速度が以下の関係を満たすこととしてもよい。
Ｖ＝Ｆ×Ｐ／β
ここで、Ｖはステージの移動速度（ｍｍ／ｓｅｃ）、Ｆは光検出器の転送レート（フレーム／ｓｅｃ）、Ｐは光検出器の画素ピッチ（ｍｍ）、βは撮影倍率である。

このようにすることで、標本の１フレーム当たりの移動量と、光検出器の画素ピッチを同一とすることができ、ライン状の照明光の長さ方向およびこれに直交する方向に同じ分解能の見易い観察画像を取得することができる。

また、上記発明においては、前記結像光学系と前記光検出器との間に配置され、前記標本におけるライン状の観察光の像の長さ方向に直交する方向に観察光を波長毎に分散させる波長分散素子を備えていてもよい。
このようにすることで、波長分散素子により観察光を波長毎に分散させて観察光のスペクトルを取得することができる。

また、上記発明においては、前記波長分散素子は、該波長分散素子が一の観察光から生成する０次光が、他の観察光から離れるように設定された格子面を有する回折格子であるってもよい。
このようにすることで、強度の大きな０次光が他の観察光とともに検出されてしまう不都合の発生を防止することができる。

本発明によれば、観察光と励起光の波長の順序が変動しても同一の光学系を用いて複数の波長の光を観察することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る顕微鏡を示す模式的な全体構成図である。 図１の顕微鏡の光源部の構造を示す（ａ）側面図、（ｂ）（ａ）に直交する方向から見た側面図である。 図１の顕微鏡において標本上に集光される励起光の対物レンズの視野範囲との位置関係を示す図である。 図１の顕微鏡における標本上における励起光の集光位置を対物レンズの光軸からシフトさせる方法の変形例を示す図である。 図１の顕微鏡の変形例であって、２つの落射照明用の照明部を有する場合を示す図である。 図１の顕微鏡の変形例であって、２つの落射照明用の照明部と１つの透過照明用の照明部とを有する場合を示す図である。 図１の顕微鏡の変形例であって、スキャナを有する場合を示す図である。 図１の顕微鏡の変形例であって、（ａ）は、一方の蛍光の強度を観察し、他方の蛍光のスペクトルを観察する場合の模式的な全体構成図、（ｂ）は、ＣＣＤの撮像面上の蛍光の集光状態を示す図である。 図８の顕微鏡に備えられる回折格子の入射光と回折光との関係を示す模式図である。 図１の顕微鏡の変形例であって、２つの蛍光のスペクトルを観察する場合の模式図である。

本発明の一実施形態に係る顕微鏡１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る顕微鏡１は、図１に示されるように、標本Ａを搭載するステージ２と、該ステージ２を駆動するステージ駆動部３と、異なる波長の励起光（照明光）を射出する２つの光源部４，５と、該光源部４，５から射出された励起光をそれぞれ標本Ａ上に集光する対物レンズ６，７と、２つの光源部４，５から射出された２つの励起光を標本Ａ上の異なる位置に集光させるように各対物レンズ６，７に導光するリレーレンズ８，９と、対物レンズ６により集光された蛍光を励起光から分岐させるダイクロイックミラー１０と、該ダイクロイックミラー１０によって分岐された蛍光を集光する結像レンズ（結像光学系）１１と、該結像レンズ１１により集光された蛍光を検出するＣＣＤ（光検出部）１２とを備えている。ＣＣＤ１２とダイクロイックミラー１０との間には、蛍光を透過し励起光を遮断するバリアフィルタ１３が配置されている。

各光源部４，５は、図２（ａ）および図２（ｂ）に示されるように、水銀ランプ、ハロゲンランプ、タングステンランプ、レーザ光源、ＬＥＤあるいはＬＤのような光源４ａ，５ａと、該光源４ａ，５ａからの励起光を略平行光にする集光レンズ４ｂ，５ｂと、略平行光となった励起光をライン状に集光するシリンドリカルレンズ（線状集光素子）４ｃ，５ｃとを備えている。これにより、各光源部４，５は、ライン状の励起光を射出するようになっている。図２（ａ）と図２（ｂ）とは相互に直交する方向から見た図である。符号４ｄ，５ｄのようなスリットを備えていてもよい。

一方の光源部４は、ステージ２上の標本Ａに対してＣＣＤ１２と同じ側に配置された落射照明用の光源部４であり、他方の光源部５は、標本Ａに対してＣＣＤ１２とは反対側に配置された透過照明用の光源部５である。

ステージ駆動部３は、対物レンズ６，７により標本Ａ上に集光されたライン状の励起光の像の長さ方向に直交する方向に標本Ａを移動させるようになっている。ステージ駆動部３による標本Ａの移動速度は、以下の式（１）のように設定されている。
Ｖ＝Ｆ×Ｐ／β （１）
ここで、Ｖはステージ２の移動速度（ｍｍ／ｓｅｃ）、ＦはＣＣＤ１２の転送レート（フレーム／ｓｅｃ）、ＰはＣＣＤ１２の画素ピッチ（ｍｍ）、βは撮影倍率である。

各リレーレンズ８，９は、対応する各光源部４，５の射出端におけるライン状の集光位置と標本Ａの位置とが光学的に共役な位置関係になるように、各光源部４，５からの励起光を対応する各対物レンズ６，７の入射瞳位置に略平行光として入射させるようになっている。

各リレーレンズ８，９の光軸は、対応する各光源部４，５の光軸に対してそれぞれシフトさせられている。これにより、各光源部４，５から射出され各リレーレンズ８，９を介した励起光は、光軸に対して傾斜した方向から各対物レンズ６，７に入射し、標本Ａ上には各対物レンズ６，７の光軸から離れた位置にライン状に集光されるようになっている。

２つのリレーレンズ８，９の光軸のシフト方向を異ならせることにより、２つの光源部４，５からの２種類の励起光は、標本Ａ上の異なる位置に集光されるようになっている。本実施形態においては、図３に示されるように、平行間隔をあけて配される２本のライン状の照明Ｂとして標本Ａ上に集光されるようになっている。図中、符号Ｃは対物レンズ４，５の視野範囲を示している。
ＣＣＤ１２の撮像面は、対物レンズ６および結像レンズ１１によって、標本Ａと共役な位置に配置されている。

このように構成された本実施形態に係る顕微鏡１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る顕微鏡１を用いてステージ２上の標本Ａの蛍光観察を行うには、２つの光源部４，５から同時に励起光を射出させる。

落射照明用の光源部４から射出された励起光は、リレーレンズ８によって略平行光とされ、ダイクロイックミラー１０によって反射され、対物レンズ６の光軸に対して傾斜した方向から対物レンズ６に入射され、対物レンズ６によってステージ２上の標本Ａに集光される。
また、透過照明用の光源部５から射出された励起光は、リレーレンズ９によって略平行光とされて、対物レンズ７の光軸に対して傾斜した方向から対物レンズ７に入射され、対物レンズ７によってステージ２上の標本Ａに集光される。

各光源部４，５の射出端からは、ライン状の励起光が射出されており、射出端と標本Ａとは光学的に共役な位置関係に配置されているので、標本Ａ上にはライン状の励起光が集光される。
各光源部４，５からの励起光の標本Ａにおける集光位置においては、蛍光物質が励起されることにより蛍光が発生する。発生した蛍光は対物レンズ６により集光され、ダイクロイックミラー１０を透過して、結像レンズ１１により結像され、ＣＣＤ１２に入射される。

ＣＣＤ１２の撮像面と標本Ａとは光学的に共役な位置関係に配置されているので、蛍光は結像レンズ１１によって、ＣＣＤ１２の撮像面にライン状に集光される。
ここで、ＣＣＤ１２の撮像面上に集光されるライン状の蛍光は、その長さ方向がＣＣＤ１２の画素配列方向に一致していることが好ましい。このようにすることで、画素毎の検出信号にムラを発生させることなく、正確に蛍光を検出することができる。

そして、落射照明用の励起光および透過照明用の励起光は、標本Ａ上の異なる位置に集光されているので、その集光位置から発生した蛍光もＣＣＤ１２の撮像面における異なる位置に集光する。
これにより、ＣＣＤ１２には、標本Ａ上の平行間隔をあけた２本のライン状の照明の位置における蛍光像を同時に取得することができる。

この状態で、ステージ駆動部３を作動させて、ステージ２をライン状の励起光の像の長さ方向に直交する方向に移動させることにより、標本Ａ上において励起光を２次元範囲に走査させることができる。したがって、各励起光の集光位置において取得したライン状の蛍光画像をステージ２の位置と対応づけて蓄積することにより、標本Ａの２次元的な蛍光画像を２種類同時に取得することができる。

このように、本実施形態に係る顕微鏡１によれば、標本Ａの状態や標本Ａに導入する蛍光薬剤等の種類によって、観察する光と励起光の波長の順序が変動しても同一の光学系を用いて複数の波長の光を観察することができるという利点を有する。
また、本実施形態に係る顕微鏡１によれば、式（１）を満たすようにステージ２の移動速度を設定しているので、標本Ａの１フレーム当たりの移動量と、ＣＣＤ１２の画素ピッチとを一致させることができ、縦横方向に同じ分解能の見易い蛍光画像を取得することができるという利点がある。

また、本実施形態においては、２本のライン状の励起光を標本Ａ上に同時に集光した状態で、ステージ２を一方向に移動させるので、一方の励起光が最初に標本Ａ上を走査させられる。したがって、最初に走査される側の励起光のエネルギ密度を後に走査される側の励起光のエネルギ密度より小さく設定することが好ましい。これにより、標本Ａに与えるダメージを低減しつつ、両蛍光を観察することができる。

なお、本実施形態においては、リレーレンズ８，９の光軸に対して、各光源部４，５の光軸をシフトさせることにより、標本Ａ上における励起光の集光位置を対物レンズ６，７の光軸から離れた位置に設定した。これに代えて、図４に示されるように、リレーレンズ８，９の光軸と光源部４，５の光軸とを一致させた状態で、ダイクロイックミラー１０の傾斜角度をリレーレンズ８の光軸に対して４５°とは異なる角度に設定してもよい。

これによっても、対物レンズ６への励起光の入射角度を対物レンズ６の光軸に対して傾斜させることができ、標本Ａ上における励起光の集光位置を対物レンズ６の光軸から離れた位置に設定することができる。
また、リレーレンズ８の光軸のシフトと、ダイクロイックミラー１０の角度調節の両方によって、励起光の集光位置を対物レンズ６の光軸から離れた位置に設定してもよい。

また、本実施形態においては、２つの光源部４，５を標本Ａを挟んで両側にそれぞれ配置し、落射照明観察と透過照明観察とを行うこととしたが、これに代えて、図５に示されるように、２つの光源部４をＣＣＤ１２側に配置して２種類の落射照明を行うことにしてもよい。また、その逆に、２種類の透過照明を行うことにしてもよい。さらに、図６に示されるように、２種類の落射照明と１つの透過照明により３種類の蛍光観察を行うこととしてもよい。

また、ＣＣＤ１２として、単一の２次元ＣＣＤを例示したが、これに代えて、各蛍光の集光位置に配置されるラインＣＣＤを複数用意してもよい。
また、単一の２次元ＣＣＤによって２種類の蛍光を検出する場合には、２種類の蛍光の検出光量Ｉ１，Ｉ２が以下の関係となるように光源部４，５を制御する光源制御部（図示略）を備えることとしてもよい。

例えば、
Ｉ１＜０．８×α、Ｉ２＜０．８×α、｜Ｉ１−Ｉ２｜＜０．３×α
ここで、αはＣＣＤの飽和検出光量である。

ＣＣＤ１２が単一である場合には、一方の検出光量に合わせてＣＣＤ１２の調整を行うと、他方が暗い場合は検出されず、他方が明るい場合は検出光量が飽和して正確に検出されない問題が生ずるので、上記関係式を満たすように光源部４，５を制御することで、上記問題の発生を防止することができる。上記式の係数は一例である。

また、本実施形態においては、ステージ２の移動により励起光を標本Ａ上で走査させることとしたが、これに代えて、図７に示されるように、光源部４とリレーレンズ８との間に、一対のリレーレンズ１５，１６とスキャナ１７とを設けることにしてもよい。図７に示す例は、２種類の落射照明を行う場合で、スキャナ１７は、単一のガルバノミラーにより構成されている。

一対のリレーレンズ１５，１６は、光源部４から発せられた励起光の集光位置と、リレーレンズ８の前側焦点位置とを光学的に共役な位置関係とするように設けられている。また、スキャナ１７は、リレーレンズ１６の後側焦点位置およびリレーレンズ１５の前側焦点位置に一致する位置に配置されている。スキャナ１７を構成するガルバノミラーを一方向に揺動させることにより、標本Ａ上に集光された２本のライン状の励起光の像を、その長さ方向に直交する方向に移動させ、標本Ａ上において走査させることができる。

また、本実施形態においては、２種類の蛍光の強度をそれぞれ観察する蛍光観察を行うこととしたが、これに代えて、図８に示されるように、一方は蛍光の強度を観察し、他方は蛍光のスペクトルを観察することにしてもよい。
図８（ａ）に示す例では、２つの光源部４からの励起光は標本Ａ上の異なる２直線上に入射され、結像レンズ１１とＣＣＤ１２との間に、結像レンズ１１によって一旦結像された蛍光を略平行光に変換する２対のリレーレンズ１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂを設け、一方のリレーレンズ対１８ａ，１８ｂの間には、ミラー２０を配置し、他方のリレーレンズ対１９ａ，１９ｂの間には、反射型の回折格子２１のような波長分散素子を配置している。

回折格子２１は、図９に示されるように、階段状の溝が形成された反射面２１ａを有している。回折格子２１の反射面２１ａに入射した光はそれぞれの溝で回折され、各溝の回折光が相互に干渉し合う。ここで、溝間隔をｄｍｍ、回折格子２１の法線に対する入射光の角度をθ_ｉ、回折格子２１の法線に対する射出光の角度をθ_ｏで定義すると、回折条件は、
ｄ（ｓｉｎθ_ｉ＋ｓｉｎθ_ｏ）＝ｍλ
で表される。ここで、λは入射光の波長、ｍは干渉次数と呼ばれる整数である。

ｍ＝０のとき、波長λの値によらず、θ_ｉ＝−θ_ｏであり、射出光は０次光と呼ばれ、回折格子２１が通常の鏡と同じように機能する。ｍ≠０のとき、波長λが変化すると、回折条件を満たす回折角θ_ｏが変化する。したがって、回折格子２１は反射面２１ａに入射するライン状の蛍光像の長さ方向に直交する方向に蛍光を分散するように配置される。分光された蛍光は、回折格子２１によって、波長毎に異なる角度となって分散し、リレーレンズ１９ｂを介して該リレーレンズ１９ｂの後側焦点位置に配置されたＣＣＤ１２に入射させられる。

すなわち、回折格子２１により分光された蛍光は、標本Ａ上での集光位置と波長に応じて、ＣＣＤ１２の異なる位置に入射する。したがって、ＣＣＤ１２の撮像面においては、図８（ｂ）に示されるように、標本Ａ上の集光位置に対応する軸（Ｙ軸）と、波長に対応する軸の２つの軸を有することになる。
また、ミラー２０により反射された蛍光は、図８（ｂ）に示されるように、回折格子２１により分光された蛍光とは異なる位置におけるＣＣＤ１２の撮像面に、ライン状の像を形成して入射される。

このように、回折格子２１で分光された蛍光は、標本Ａ上の位置と波長に応じてＣＣＤ１２の異なる位置において検出されるので、ＣＣＤ２１の１フレームで、標本Ａ上の各位置におけるスペクトルを測定することができる。そして、このようにして測定されたスペクトルを解析することにより、標本Ａに含まれる物質を分析することも可能となる。

なお、波長分散素子としては、反射型の回折格子２１を例示したが、これに限定されるものではなく、プリズムのような透過型の波長分散素子を採用してもよい。また、結像レンズ１１による結像面に、ライン状の蛍光像に沿って配置されたスリットを備えることにしてもよい。このようにすることで、対物レンズ６の合焦位置以外からの蛍光をスリットで遮光することができ、取得される蛍光画像の空間分解能を向上することができる。

また、図８（ａ）に示されるように、２つのリレーレンズ１８ｂ，１９ｂの間に遮光板２２を配置してもよい。これにより、蛍光が回折格子２１に照射された際に発生する測定に関係のない迷光等を遮光板２２によって遮光でき、蛍光どうしの干渉を防止することができる。

また、図８（ａ）に示されるように、回折格子２１によって発生する０次光が、ミラー２０によって反射された蛍光の光束から離れる方向に設定された反射面２１ａを有する回折格子を採用することが好ましい。強度の大きな０次光が他の蛍光に混じって検出されてしまう不都合を防止して、単一のＣＣＤ１２の同一撮像面によって２種類の蛍光を同時に、かつ、より確実に分離して検出することができるという利点がある。

また、２種類の蛍光をいずれも分光観察する場合には、図１０に示されるように、各々の０次光が他方の蛍光の光束から離れるように設定された反射面２１ａを有する回折格子２１を採用すればよい。
また、本実施形態においては、励起光を照射して標本Ａにおいて発生する蛍光を観察する場合について例示して説明したが、これに限定されるものではなく、標本Ａから発生するＣＡＲＳ光やラマン散乱光等を観察する場合に適用してもよい。

Ａ 標本
１ 顕微鏡
２ ステージ
３ ステージ駆動手段
４，５ 光源部
４ａ，５ａ 光源
４ｃ，５ｃ シリンドリカルレンズ（線状集光素子）
６，７ 対物レンズ（対物光学系）
８，９ リレーレンズ（照明光学系）
１０ ダイクロイックミラー（照明光学系）
１１ 結像光学系
１２ ＣＣＤ（光検出器：光検出部）
２１ 回折格子（波長分散素子）
２１ａ 反射面（格子面）

Claims (8)

1. 異なる照明光を射出する複数の光源部と、
   該光源部から射出された複数の照明光を標本に集光する対物光学系と、
   前記光源部からの複数の照明光を前記標本上の異なる位置に集光させるように前記対物光学系に導光する照明光学系と、
   前記照明光を照射することにより前記標本において発生した複数の観察光を異なる位置に結像させる結像光学系と、
   該結像光学系による異なる結像位置において前記複数の観察光を検出する光検出部とを備える顕微鏡。
2. 前記光源部が、異なる照明光を発生する複数の光源と、該光源からの照明光をライン状に集光させる線状集光素子とを備える請求項１に記載の顕微鏡。
3. 前記光検出部が、単一の光検出器であり、
   前記結像光学系が、複数の観察光を前記光検出器の異なる位置に結像させる請求項１に記載の顕微鏡。
4. 前記光検出器により検出された複数の観察光の検出光量値と、前記観察光相互間の検出光量値の差分とに基づいて前記光源部から射出させる光量を制御する光源制御部とを備える請求項３に記載の顕微鏡。
5. 前記光検出部が、複数の画素を配列してなる光検出器を備え、
   前記線状集光素子が、前記光検出器の画素の配列方向に沿うライン状に前記照明光を集光させる請求項２に記載の顕微鏡。
6. 前記標本を搭載するステージと、
   該ステージを、標本上に集光されたライン状の照明光の長さ方向に交差する方向に移動させるステージ駆動手段とを備え、
   該ステージ駆動手段による前記ステージの移動速度が以下の関係を満たす請求項５に記載の顕微鏡。
   Ｖ＝Ｆ×Ｐ／β
   ここで、
   Ｖはステージの移動速度（ｍｍ／ｓｅｃ）、
   Ｆは光検出器の転送レート（フレーム／ｓｅｃ）、
   Ｐは光検出器の画素ピッチ（ｍｍ）、
   βは撮影倍率である。
7. 前記結像光学系と前記光検出器との間に配置され、前記標本におけるライン状の観察光の像の長さ方向に直交する方向に観察光を波長毎に分散させる波長分散素子を備える請求項２に記載の顕微鏡。
8. 前記波長分散素子は、該波長分散素子が一の観察光から生成する０次光が、他の観察光から離れるように設定された格子面を有する回折格子である請求項７に記載の顕微鏡。

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